大學(xué)物理實驗2弗蘭克-赫茲實驗實驗背景

1914年德國科學(xué)家弗蘭克和赫茲在研究氣體放電中低能電子與原子相互作用時發(fā)現(xiàn)，透過汞蒸汽的電子流隨電子的能量呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化。該實驗證實了原子內(nèi)部的能量是量子化的，為此1925年弗蘭克和赫茲共同獲得諾貝爾物理學(xué)獎。弗蘭克JamesFranck，1882—1964G.赫茲GustavHertz，1887—1975赫茲起初只是為了測量汞原子的電離電勢，并非為了證明玻爾的假設(shè)。在玻爾正苦思如何用實驗來證明自己怪異的原子理論時，意外地發(fā)現(xiàn)了弗蘭克和赫茲的實驗，同時意識到弗蘭克和赫茲的實驗結(jié)果與自己的理論預(yù)測有較大的差異，于是他撰文重新詮釋了弗蘭克和赫茲的實驗結(jié)果，如果玻爾的解釋正確，那么弗蘭克和赫茲的實驗地位將大大提高。有趣的是，弗蘭克和赫茲并不認(rèn)可玻爾的解釋，相反，他們還再次撰文重申自己的主張，直到1919年戴維斯等改進(jìn)了“弗蘭克-赫茲”的實驗裝置，獲得了與玻爾預(yù)期一致的結(jié)果，歷時趣事二、實驗?zāi)康臏y量汞原子的第一激發(fā)電位

原子只能處于一些分立的穩(wěn)定的能量狀態(tài)(簡稱定態(tài)),它的能量不可能連續(xù)變化而只能是突變，即“躍遷”．原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)發(fā)射或吸收能量，輻射的頻率是一定的：電離∞EnEmE1第一激發(fā)態(tài)E0基態(tài)三、實驗原理/2.1原子的能級原子在正常情況下處于基態(tài)，當(dāng)原子吸收電磁波或受到其它有足夠能量的粒子碰撞而交換能量時，可由基態(tài)躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)。從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需要的能量稱為臨界能量。“弗蘭克-赫茲”實驗的設(shè)計思想是利用慢電子與原子發(fā)生碰撞，通過收集發(fā)射電子在弗蘭克赫茲管后端形成的電流與加速電壓間的關(guān)系來探尋原子內(nèi)部規(guī)律。三、實驗原理/2.2實驗設(shè)計原理燈絲電壓VF：電壓越大，單位時間發(fā)射電子數(shù)越多。第一柵極電壓VG1：類似聚焦的作用，防止電子散射打到管壁上。第二柵極電壓VG1：給電子加速。拒斥電壓VP：給電子減速，防止電子過快，電流飽和。圖1弗蘭克赫茲管原理圖汞設(shè)汞原子的基態(tài)能量為E1

，第一激發(fā)態(tài)的能量為E2，從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)所需的能量就是△E=

E2

-E1

。初速度為零的電子在電位差為V的加速電場作用下具有能量eV，若小于eV

<

E2

-E1時，則電子與氬原子只能發(fā)生彈性碰撞，二者之間幾乎沒有能量轉(zhuǎn)移。當(dāng)電子的能量eV≥E2

-E1時，電子與汞原子就會發(fā)生非彈性碰撞，汞原子將從電子的能量中吸收相當(dāng)于E2

-E1的那份能量，使自己從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，而多余的部分仍留給電子。設(shè)使電子具有能量E2

-E1所需加速電場的電位差為V0，則

eV0

=

E2

-E1

式中：V0為汞原子的第一激發(fā)電位，是本實驗要測的物理量。當(dāng)電子的動能小于原子的第一激發(fā)能級時，只發(fā)生彈性碰撞，當(dāng)電子的動能大于原子的第一激發(fā)電位時，電子將一份能量交給原子，速度迅速下降，出現(xiàn)第一個峰谷，加速電壓繼續(xù)增加，直到VG2是2倍氬原子第一激發(fā)能級，出現(xiàn)第二個峰谷……三、實驗原理/2.3譜峰曲線原理

這種能量轉(zhuǎn)移隨著加速電壓的增加而呈周期性的變化。。

為VG2橫坐標(biāo)，Ig為縱坐標(biāo)就可以得到譜峰曲線，兩相鄰谷點（或峰尖）間的加速電壓差值，即為氬原子的第一激發(fā)電位值四實驗儀器儀器線路已連接好溫控連接器實驗儀汞管及加熱爐四實驗儀器/控制面板

屏幕是觸摸屏，點

擊相應(yīng)相應(yīng)位置可改變參數(shù)值。

“第二柵極電壓”中“0”為歸零，“.1”是以0.1分度變化，“.5”是以0.5變化。四實驗儀器/參數(shù)調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)：

最左邊的環(huán)形按鈕觸發(fā)溫度設(shè)置

“”選擇位數(shù)

“”增加溫度

“”減小溫度四實驗儀器/測量實驗步驟:1、打開電源，將溫度設(shè)置在220°C，等待溫度慢慢升高。2、將VF、VG1、VP設(shè)定在儀器標(biāo)簽上的數(shù)值，點擊“自動”觀察波形（可用手機(jī)拍攝作圖）。3、點擊“手動”，將VG2從0增加到60V左右，測量12個峰值（或谷值）的位置。4、實驗完畢，關(guān)掉試驗儀，關(guān)掉溫度控制器開關(guān)。五數(shù)據(jù)處理要求1、打印出加速電壓